《光導纖維與光纖傳感器.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《光導纖維與光纖傳感器.ppt（35頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、光纖的最初研究是為了通訊，光纖傳感器是伴隨著光纖通訊和光電技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感器。,光纖傳感器優(yōu)點:靈敏度高，響應速度快，動態(tài)范圍大，防電磁干擾，超高電絕緣，防燃、防爆，體積小，耐腐蝕，材料資源豐富、成本低等。,光纖與激光器、半導體光電探測器一起構(gòu)成了新的光電技術(shù)，即光電子學領域.,光導纖維(Optical Fiber)簡稱光纖,是20世紀后半葉人類的重要發(fā)明之一。,第9章 光導纖維與光纖傳感器,光纖傳感器的缺點: 有的系統(tǒng)比較復雜,光纖傳感器可測的物理量：（現(xiàn)在已實現(xiàn)的傳感物理量）有壓力、溫度、位移、角度、加速度、應變、電流、電壓及某些化學量測量等，因此，應用前景十分廣闊。,光纖傳感器

2、的應用與光電技術(shù)密切相關。因而，光纖傳感器也成為光電檢測技術(shù)的重要組成部分,為什么把光纖傳感器看作光電檢測技術(shù)的組成部分?,高錕在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就。,例如，在石英中加入折射率低于石英的B2O3，即包層材料為B2O3SiO2,例如，在石英中加入折射率高于石英的GeO2或P2O3；稱為鍺-硅光纖或磷-硅光纖。,纖芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體，一般直徑約為5150微米.,圍繞著纖芯的那一層叫包層，材料也是玻璃或塑料等。,纖芯的折射率n1(1.5)包層的折射率n2(1.485)。,外套起保護光纖的作用，其折射率n3包層的折射率,由于纖芯和包層構(gòu)成了一個

3、同心圓雙層結(jié)構(gòu)，所以光纖具有使光束封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ堋?通常人們又把較長的或多股的光纖稱之為光纜。,一 光導纖維基礎知識,（一）光纖的結(jié)構(gòu),光纖由纖芯、包層及外套組成,芯包間相對折射率差為:,梯度型光纖：纖芯內(nèi)的折射率從中心軸線開始沿徑向按拋物線規(guī)律變化,中心軸線折射率最大,光在傳播中會自動地從折射率小的界面處向中心會聚.,在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖的軸線傳播，通過軸 線的子午光線呈正弦波曲線。,梯度型光纖又稱為自聚焦光纖,其折射率分布為,纖芯的折射率n1分布均勻，固定不變；包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻，但纖芯到包層的折射率變化呈臺階狀。,在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖的軸線傳播，通過 軸線

4、的子午光線呈鋸齒形軌跡。那么什么是子午光 線？,(二)光纖的種類,(1) 根據(jù)折射率的變化規(guī)律，光纖分為階躍型(Step Index Fiber)和梯度型(Graded Index Fiber)兩種,階躍型光纖:,,,歸一化頻率是光纖的最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是一個 直接與頻率成正比的無量綱的量，它能表征光纖中傳 播模式的數(shù)量。,光纖中只允許傳播一個模式，即基模。V<2.405 也就是單模光纖單模傳輸?shù)臈l件,單模光纖在給定的工作波長上，只能傳輸單一基模（HE11），其它高階模均被截止。,(3) 根據(jù)傳播波長，光纖分為短波長和長波長兩種：短波長是0.85微米，長波長是1.3和1.55微米,“麥氏方程組

5、+光纖的邊界條件”的解就是光纖中的可能傳播的模式。,光纖中的模和光纖的性能參數(shù)有關：如纖芯直徑大小，折射率分布因子，光纖芯包的相對折射率差，數(shù)值孔徑和傳播的波長等有關。,(2) 根據(jù)傳輸模式，光纖分為單模和多模兩種,什么是光纖中的模式？,光纖中的模式：是指電磁場在光纖中可能的存在方式，可能的傳播方式。,光纖中的模大略可分為兩類：傳導模和輻射模,在光纖中還有一個比較有用的歸一化頻率參數(shù)V,（三）光纖的傳光原理,當光線以較小的入射角由光密媒質(zhì)n1射入光疏媒質(zhì)n2時,,若繼續(xù)加大入射角,使得折射角為90度，此時入射角為？,,若繼續(xù)加大入射角, 光不再產(chǎn)生折射，而只有在光密媒質(zhì) 中的反射，即形成了光的

6、全反射現(xiàn)象,本征吸收是物質(zhì)固有的,主要由紫外紅外波段電子躍遷與振動躍遷引起.雜質(zhì)吸收由于材料的正過渡離子的電子躍遷和OH-的分子振動引起.原子吸收由于強烈的熱和光或者輻射使光纖材料受激出現(xiàn)缺陷而致.,光纖的彎曲也會造成散射損耗：光纖邊界條件的變化，使光在光纖中無法進行全反射傳輸。光纖的彎曲半徑越小，造成的散射損耗越大。,多模短波長(0.8-0.9m)光纖為2.5dB/km-3dB/km；,多模光纖損耗的指標大致為：,散射損耗是由于光纖材料的不均勻或存在缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機性變化所致。,例如:“1966年，高錕用純度極高的玻璃纖維在超過100km的距離以上成功傳

7、輸了光信號，而在60年代普通的纖維只能傳輸光信號20m遠?！?物質(zhì)對光的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮埽斐晒饽艿膿p失,入射光纖中的光，由于存在著費涅耳反射損耗、吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等，光纖不可能百分之百地將入射光的能量傳播出去。,(四)光纖的傳輸特性,1、傳輸損耗,當光纖長度為L，輸入與輸出的光功率分別為Pi和P0時,光纖的損耗系數(shù),光纖損耗主要包括吸收損耗和散射損耗,OH-離子難以根除,其分子振動躍遷在波段0.85m, 1.31m,1.55m吸收很少,最小在1.55m,吸收損耗包括:本征吸收,雜質(zhì)吸收和原子吸收.,多模長波長(1.5m)光纖為1dB/km-1.5dB/km；,單

8、模長波長光纖為0.2dB/km-0.5dB/km。,雜質(zhì)：金屬離子Fe、Co、Ni、Mn,梯度型光纖的時延差為：,對長波長光纖來說，在1.3m附近有零色散區(qū)，這是目前較長距離大容量光纖通信選擇1.3m為中心波長的主要原因！,模式色散實際是指光線到達接收端的時延差！,階躍型光纖的時延差為：,材料的折射率隨波長的變化而變化，因光信號中各波長分量的群速度不同而引起的色散稱為材料色散(又稱為折射率色散)；,光纖的色散就是輸入脈沖在光纖內(nèi)的傳輸過程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。,由于波導結(jié)構(gòu)不同，某一波導模式的傳播常數(shù)隨著信號角頻率變化而引起的色散稱為波導色散(結(jié)構(gòu)色散)；,在多模光纖中

9、由于各個模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同，群速度不同而產(chǎn)生的色散稱為多模色散(又稱為模式色散) 。,光纖色散使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬.,2.色散,(1)材料色散,(2)波導色散,(3)多模色散,三種色散的大小順序是:,多模色散,材料色散,波導色散,單模光纖不存在模式色散,但由于它存在兩個相互垂直的線偏模,因此存在偏振色散,輸入光纖的可能是強度連續(xù)變化的光束,也可能是一組光脈沖,由于光纖色散現(xiàn)象,會使脈沖展寬,造成信號畸變,從而限制了光纖的信息容量和品質(zhì)。,設光源的中心頻率為 ，帶寬為 ，某一模式光的傳播常數(shù)為 ，則總的延遲增量為,式中： ； ，c為真空中的光速。

10、,3.容量,光脈沖的展寬程度可以用延遲時間來反映。,光纖的彎曲性與光纖的抗拉強度有很大關系?？估瓘姸却蟮墓饫w,不僅強度高,可撓性也好。同時,其環(huán)境適應性能也強。,4.抗拉強度,光纖的抗拉強度取決于材料的純度、分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)、光纖的粗細及缺陷等因素。,光纖波導的弱導條件是光纖與微波介質(zhì)圓波導之間的重要差別之一.,,弱導的基本含義：很小的折射率差就可能構(gòu)成良好的光纖波導結(jié)構(gòu)，而且為工藝制造提供了方便。,假設芯包間的相對折射率差為：,5.收光本領,,光纖的數(shù)值孔徑NA定義為：當光從空氣中入射到光纖端面時的光錐半角之正弦：,光錐的大小是使此角錐內(nèi)所有方位的光線一旦進入光纖，就被截留在纖芯中，沿著光纖傳播

11、。,對于階躍型光纖，其數(shù)值孔徑可表示為,,光纖的集光本領與數(shù)值 孔徑有密切的關系:,,數(shù)值孔徑只決定于光纖的折射率，與光纖的尺寸無關,從真空入射時：,光纖波導的弱導條件,想一想：該公式是怎么得到的？,光纖可以做得很細使之柔軟、彎曲。當光纖的數(shù)值孔徑 最大時，光纖的集光本領也最大。,數(shù)值孔徑的數(shù)值一般為：0.20-0.25,,,計算數(shù)值孔徑NA,光纖耦合器是實現(xiàn)光信號分路/合路的功能器件。,光纖弱耦合是通過光纖的彎曲或使其耦合處成錐狀.于是,纖芯中的部分傳導模變?yōu)榘鼘幽?再由包層進入耦合臂中的纖芯,形成傳導模。,把光纖埋入玻璃塊的弧形槽中，將其側(cè)面研磨拋光，使光纖耦合處的包層厚度達到一定的要求，

12、然后將兩根光纖拼接在一起。,(五)光纖的耦合,光纖的耦合分為強耦合和弱耦合兩種,光纖強耦合是光纖纖芯間形成直通，傳輸模直接進人耦合臂,,常用的耦合方式有三種：,拼接型,(2) 將兩根光纖稍加扭絞，用微火炬對耦合部位進行加熱，在熔融過程中拉伸光纖，最后拉細成型。,熔融拉錐型,此時,在兩根光纖的耦合部位形成雙錐區(qū),兩根光纖包層合并在一起,纖芯變細并靠近,形成了一個新的合成光波通路.根據(jù)靠近程度的不同,可構(gòu)成弱耦合或強耦合。,還可通過控制扭力或張力，調(diào)節(jié)光纖間距，以達到調(diào)節(jié)光纖耦合強弱的目的。,(3) 將光纖的局部外套去掉,剝離護套扭絞,固化,然后進行加固。,腐蝕,腐蝕掉光纖耦合部位的大部分包層，并

13、將兩根光纖的纖芯緊緊扭絞在一起；,在檢測技術(shù)中光纖照明器常制成叉型，又叫做Y形光纖耦合器。合成一端作為探頭，探測待測信息；兩枝分束光纖一枝接受光源的光，另一枝輸出返回探頭的光，從而使光電探測器獲得所需的光信息。,二 光導纖維的應用,光導纖維除應用于光通信,傳感器外,還可用于導 光和傳像。,（一）光纖在直接導光方面的應用,利用光纖柔軟可彎曲的特點，可按需要制成各種 導光器,1.光纖照明器,1) 線狀照明,光源所發(fā)之光經(jīng)透鏡進入圓形光纖束的一端，另一端可以排成圓形、方形或三角形等多種形狀，實現(xiàn)所需形狀的光輸出。,光源所發(fā)的光匯聚進入光纖束的一端，另一端按需要由多束光纖輸出，分別照明所需照明的位置。

14、,2) 多路照明,3）檢測照明,2光纖束行掃描器,條狀光源,待測物,光電探測器,轉(zhuǎn)換器,多種光的合成:利用光纖比利用光學系統(tǒng)方便得多。,3光纖直接導光的應用,激光手術(shù)刀:利用光纖束傳輸激光，使激光能量以高入射功率密度(110W)聚焦在人體某部分組織表面上，輻射能被人體組織吸收、升溫、最后氣化而切除。,激光加工、加熱，以及海底供能:采用光纖束傳輸能量是最佳的方案。,直線--圓環(huán)光纖轉(zhuǎn)換器和Z型導光管可以對移動目標實現(xiàn)圖象信號的采集。,條狀光源照明移動的帶狀待測物的一行,線狀排列的光纖將光源所照明的那一行物體的信息采入，并傳遞到光纖圓環(huán)上。,Z型導光管以輸出光軸為旋轉(zhuǎn)軸掃描圓環(huán)，將圓環(huán)光纖輸出信息

15、按時序由聚光鏡會聚于光電探測器上。光電探測器輸出的時序信號就是對待測物的掃描信號。,利用光纖傳像束可彎曲的特點，可制成各種內(nèi)窺鏡，以實現(xiàn)對用一般光學方法難以觀察到的地方進行窺視。醫(yī)用光纖內(nèi)窺鏡主要由光源及傳光部分，成像部分、傳像部分和觀察記錄部分組成。,許多工作場合需要對多處目標進行切換觀察，可采用光纖圖像換向系統(tǒng)來實現(xiàn)。它由目標圖像采集系統(tǒng)、圖像切換系統(tǒng)，以及觀察和記錄系統(tǒng)等組成。,完成傳像功能的光纖制品主要是光纖傳像束和硬性光纖器件(光纖面板、扭像器和光纖錐等)。,(二) 光纖制品在傳像方面的應用,1.各種內(nèi)窺鏡,,2.光纖圖像換向器,光纖傳像束,物鏡L,圖像切換系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)棱鏡P及有關機構(gòu)

16、組成。棱鏡P按要求轉(zhuǎn)動，使待觀察的目標像引入棱鏡后或轉(zhuǎn)到觀察系統(tǒng)B供人眼觀看。或轉(zhuǎn)到記錄器A記錄圖像。只需轉(zhuǎn)動棱鏡P就可對N個目標進行依次觀察或選擇觀察。,生產(chǎn)OFP的材料主要是稀有金屬、金屬和非金屬的氧化物。芯要選用高折射系數(shù)的原料,如氧化鋇、氧化鋯等;包皮要選用低折射系數(shù)的原料,如:二氧化硅、氧化鉀、氧化鈉、三氧化二鋁等;光吸收層是在包皮玻璃的基礎上再加入著色劑如:氧化鈷、氧化鐵、二氧化錳、氧化鎳等。,光吸收玻璃是一種不透明的黑色玻璃,其作用是將穿透包皮玻璃的雜散光吸收掉,以提高圖像的對比度及分辨率。,OFP：用多根單光纖經(jīng)熱壓工藝而制成真空氣密性良好的光纖棒，然后進行切片、拋光而成的一種

17、可傳遞光學圖像的光纖器件；是一種板狀傳像元件，其形狀各式各樣:,據(jù)端面的形狀分：雙平面型和平-凹球面型；,平-凹球面型的OFP用于制作準球?qū)ΨQ電子光學系統(tǒng)的像管,據(jù)傳像性能分為普通OFP、變放大率的錐形OFP和傳遞倒像的扭像器,OFP主要由三種玻璃組成:芯玻璃、包皮玻璃、光吸收玻璃,如前所述,光纖面板屬于工藝性較強的技術(shù)產(chǎn)品。工藝過程中有許多技術(shù)秘密 , 每種玻璃的配方是生產(chǎn)光纖面板的技術(shù)關鍵,國外有不少這方面的專利。國內(nèi)各廠家對配料均為保密技術(shù),生產(chǎn)工藝也不盡完全相同。,用光纖面板作為單管的輸入和輸出窗,使級間直接耦合,會極大地提高光能的利用率,光纖面板還可校正電子光學系統(tǒng)產(chǎn)生的場曲,例如光

18、纖面板平像場器,在真空光電器件和真空攝像器件中，光纖面板主要是用來充當輸入窗口、輸出窗口或管內(nèi)傳像器件。,光纖面板的基本生產(chǎn)過程和工藝流程為:玻璃的配料 及熔制、拉絲、排板、熱壓、冷加工、檢驗。其中化料、 拉絲和熱壓是關鍵工序。,光學面板具有傳光效率高，級間耦合損失小，傳像清晰、真實，在光學上具有零厚度等特點。,為了正確傳遞圖像，光纖間必須相關排列，由棒中切出的每塊面板的輸入與輸出端面空間陣列相對應。,3 光纖面板 OFP(Optic Fiber Plates ),場曲：指整個 像平面是一個 曲面,芯玻璃是一種高折射率玻璃,是光的通路;,包皮玻璃為低折射率玻璃,起界面全反射作用;,一代像增強器

19、：輸入和輸出窗均由OFP構(gòu)成；這是利用了OFP之間通過光學接觸即可傳像的性能，可直接耦合,OFP使得像增強器獲得的優(yōu)點是：, 增加了傳遞圖像的傳光效率；,提供了采用準球?qū)ΨQ電子光學系統(tǒng)的可能性，改善了像質(zhì)；,可制成錐形OFP或光纖扭像器。,錐形光纖所組成的OFP稱為錐形OFP,具有放大和縮小圖像的作用；錐形OFP傳遞圖像的原理和普通OFP相同，只是圖像傳遞的放大率不為1,,,,若OFP能成倒像這種OFP稱之為光纖倒像器；光纖扭像器是將圖像旋轉(zhuǎn)180o后輸出，使倒像轉(zhuǎn)為正像。,光纖倒像器目前主要用來代替微光夜視儀中的中繼透鏡系統(tǒng)，也被廣泛應用于需要倒像的裝置中,通過倒像器,光錐廣泛應用于像增強器

20、耦合以及電視成像和先進的光電成像應用方面,錐形光纖？,第三環(huán)帶光：是光纖外皮 向內(nèi)芯串光產(chǎn)生的光環(huán),OFP在光纖內(nèi)只傳遞入射角小于孔徑角的光線，大于孔徑角的光線的一部分將要由光纖芯折射到外皮中形成雜散光，從而破壞圖像的傳遞特性,表征光學元件集光性能的參數(shù)是數(shù)值孔徑,當入射面與子午面夾角為時，數(shù)值孔徑為,OFP的有效傳光效率總是小于1,降低有效傳光效率的因素有,入射到光纖外皮的光全部是無效的，一般OFP的外皮截面 積占總截面積的比列約為30%；,光線在OFP的的端面上及界面處的反射損失；,光線在光纖之間的串光損失。,串光損失原因：三環(huán)效應（出射角最 小的第一環(huán)帶光；出射角相等的第二 環(huán)帶光；出射

21、角最大的第三環(huán)帶光）,第一環(huán)帶光：是光纖內(nèi)芯 向外皮串光產(chǎn)生的光環(huán),第二環(huán)帶光：是光纖內(nèi)芯經(jīng) 全反射產(chǎn)生的光環(huán)；也有入 射到光纖外皮又由外皮出射 的光,也叫探針型光纖傳感器。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器、光纖輻射溫度傳感器和光纖液位傳感器等,光纖傳感器：可作為加速度、角加速度、速度、角速度、位移、角位移、壓力、彎曲、應變、轉(zhuǎn)矩、溫度、電壓、電流、液位、流量，流速、濃度、pH值、磁場、聲強、光強、射線等70多個物理量的傳感器。但實用的還很少，是一個發(fā)展?jié)摿O大的領域。,三 光纖傳感器的分類及構(gòu)成,（一）光纖傳感器分類,,傳感型(功能型)光纖本身 既是傳輸介質(zhì)又是敏感元件,這種非功能型光纖

22、傳感器,不需要外加敏感元件,光纖把測量對象所輻射、反射的光信號傳輸?shù)焦怆娫?非功能型光纖只是信息傳輸介質(zhì)，而敏感元件（或沒有敏感元件）要采用其它元件,特點:非接觸式測量，精度較高,非功能型光纖傳感器的特點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，技術(shù)上易實現(xiàn)。但其靈敏度、測量精度一般低于功能型光纖傳感器。,功能型傳感器的特點:具有很高的靈敏度。尤其是利用各種干涉技術(shù)對光的相位變化進行測量的光纖傳感器，具有極高的靈敏度。,功能型傳感器的缺點是：技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)整較困難。,功能型光纖傳感器,利用光纖本身的特性受被測物理量的作用而發(fā)生變化,使光纖中光的屬性(光強、相位、偏振態(tài)、波長)被調(diào)制這一特點而構(gòu)成的一類傳感

23、器。,泡克耳效應,法拉第效應,微彎效應,（二）光纖傳感器的基本構(gòu)成,光纖傳感器的基本組成光纖、光源和光電探測器,1.光源,白熾燈、激光二極管（LD）和發(fā)光二極管(LED)等,0.80.9,選擇光源時，根據(jù)系統(tǒng)的用途和所用光纖的類型，對光源還要提出功率和調(diào)制的要求,0.31.1,2.光電元件,激光二極管具有亮度高易于進行上吉赫的直接調(diào)制、尺寸小等優(yōu)點,2）光纖傳感器的幾何形狀適應性強。由于光纖所具有的柔性，使用及放置均較為方便。,8）光纖傳感器的最大優(yōu)點在于它們探測信息的靈敏度很高。,3）光纖傳感器的傳輸頻帶寬，帶寬與距離之積可達30MHZkm-10GHZkm之多。,5）光纖傳感器通常既是信息探

24、測器件，又是信息傳遞器件。,4）光纖傳感器無可動部分、無電源，可視為無源系統(tǒng)，因此使用安全，特別是在易燃易爆的場合更為適用。,6）光纖傳感器的材料決定了它有強的耐水性和強的抗腐蝕性。,7）由于光纖傳感器體積小，因此對測量場的分布特性影響較小。,1）光纖傳感器的電絕緣性能好,表面耐壓可達4kV/cm，且不受周圍電磁場的干擾。,（三）光纖傳感器的優(yōu)點,與電量傳感器相比較，光纖傳感器有許多優(yōu)點：,這些優(yōu)點要理解,要記住,要會用,光的頻率約為1014Hz,光電探測器不能跟蹤以這樣高的頻率變化的瞬時值,因此,光波的相位變化是不能夠直接被檢測到的。為此,應用干涉技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅(強度)調(diào)制。,光纖

25、傳感器常采用馬赫澤德(Mach-Zehnder)干涉儀等干涉測量儀。,光纖軸向應變,長為L,纖芯折射率為n1的單模光纖中,波長為 的輸出光相對輸入端來說,相角為,波長為的相干光在光纖中傳播時，光波的相位 角與光纖的長度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d有關。 光纖受到物理量的作用時，這三個參數(shù)就會發(fā)生不同程 度的變化，從而引起光的相位角的變化。,（四）功能型光纖傳感器,（一）相位調(diào)制型光纖傳感器,1.相位調(diào)制原理,,,,應用光的相位檢測技術(shù)可以測量溫度、壓力、加速度、電流等物理量。,當光纖受到物理量的作用時,相位角變化量,從而使合成光強的強弱隨著相位的變化而變化。,激光器發(fā)出光被分束器分成兩束，分

26、別耦合到傳感光纖和參考光纖中。,傳感光纖置于被測對象的環(huán)境中感受壓力(或溫度)信號;參考光纖不感受被測物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個臂,再通過光纖耦合器組合起來,以便產(chǎn)生相互干涉,形成一系列干涉條紋。,當傳感光纖感受到溫度變化時,光纖的折射率會發(fā)生變化。同時光纖的熱脹冷縮使其長度發(fā)生改變。,通過光電探測器，就可以將合成光強的強弱變化轉(zhuǎn)換成電信號的大小變化?,利用馬赫-澤德干涉儀測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器組成原理圖,2.相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器,長度和折射率的變化,將會引起相位角變化。這樣,傳感光纖和參考光纖的兩束輸出光的相位也發(fā)生了變化,?,把光電探測器的光敏面放在干涉

27、場中,干涉場光強將轉(zhuǎn)換為光電流輸出,光電流的交流量為?,由圖可見,26時兩光纖中的光同相,輸出光電流最大。隨著T的上升,相位增加光電流逐漸咸小。T為26.03相移 弧度,光電流達到最小值。T上升到26.06相移增加到2 弧度,光電流又上升到最大值。這樣,光的相位調(diào)制便轉(zhuǎn)換成電流信號的幅值調(diào)制。,當活動板受到微擾作用時，光纖就會發(fā)生微小彎曲，使光在纖芯中重新分配：一部分光從纖芯進入包層；另一部分光反射回纖芯。,當活動板的位移或壓力增加時：泄漏到包層的散射光隨之增大,光纖芯模的輸出光強度就減小，通過檢測光纖輸出光的強度就能測出位移(或壓力)信號。,基本原理：光纖微彎產(chǎn)生的彎曲損耗。這類傳感器常用多

28、模光纖制作。,光纖微彎傳感器的一個突出優(yōu)點：傳輸光束基本上束縛在光纖內(nèi)部，適合在比較惡劣的環(huán)境中使用。,,(二)光強調(diào)制型光纖傳感器,傳感器還具有：分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。可以檢測到100Pa的壓力變化,光強調(diào)制型光纖傳感器的典型例子：光纖微彎位移和壓力傳感器。,光纖微彎傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成：一塊固定，另一塊可以活動。光纖從一對波形板之間通過。,受磁場作用后的光束經(jīng)物鏡耦合到偏振棱鏡，分解成振動方向相互垂直的兩束偏振光，分別進入兩個光探測器，再經(jīng)信號處理后輸出信號：,當通過的電流為I時， 由此產(chǎn)生的磁場強度H為:,根據(jù)法拉第旋光效應：由電流所形成的磁場會引起

29、光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)。檢測偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到相應的電流值,只要系統(tǒng)的V和N一經(jīng)確定，就可通過輸出信號P的大小，獲得被測輸電線上的電流值。,傳感器適用于高壓輸電線大電流的測量，測量范圍為01000A,,由法拉第旋光效應引起的光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為,(三) 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器,偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器原理圖:,,這公式怎么來的?,渥拉斯頓棱鏡前偏振光的方向為E0,光纖是單模光纖,從圖可以看出該傳感器主要由哪些器件組成?,,,渥拉斯頓棱鏡放置：e光或者o光的振動方向與起偏器軸的方向成45。,下面求偏振度P？,想一想:渥拉斯頓棱鏡原理?,由右上圖可以看出，半導體對光的吸收隨長波限的變短而急

30、劇增加(在T一定時)，即透過率急劇下降，那么在光源一定的情況下，通過半導體的透射光強隨溫度T的增加而減小。,五 非功能型光纖傳感器,（一）傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器,傳感器光源的光譜應與半導體的吸收光譜互相匹配。該系統(tǒng)的溫度測量范圍為-20300。精確度約為3。響應時間常數(shù)約2s，能在強電場環(huán)境中工作。,傳感器的關鍵部件是半導體光吸收片，它的本征吸收長波限隨溫度增加而向長波長的方向位移。,傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器：是在輸入光纖與輸出光纖之間放置有機械式或光學式的敏感元件。,敏感元件在物理量的作用下對傳輸?shù)墓鈴娺M行調(diào)制，如吸收光的能量、遮斷光路、改變光纖之間的相對位置等。,系統(tǒng)由光源、壓力膜片、光

31、敏二極管、Y形光纖束和放大器等組成。壓力膜片感受平均壓力和脈動壓力以及反射光；膜片的內(nèi)表面拋光后鍍一層反射膜，以提高反射率。,Y形光纖束約由3000根直徑為50微米的階躍型光纖(NA=0.603)集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等、長度相同的兩束：發(fā)送光纖束和接收光纖束。為了補償光源光功率的波動以及減少光敏二極管的噪聲，系統(tǒng)增加了一根補償光纖束。,(二)反射光強調(diào)制型光纖傳感器,,系統(tǒng)的優(yōu)點：頻響范圍寬;脈動壓力的頻率在018kHz的范圍內(nèi)變化;靈敏度高,輸出幅度大,放大后的輸出信號可達幾伏;結(jié)構(gòu)簡單,容易實現(xiàn)。,由膜片的撓度理論知，周邊固定的圓形平膜片，其中心位移與壓力成正比。當壓力變化時，

32、膜片與光纖端面之間的距離將線性變化。因此，光纖接收的反射光強度也將線性變化。,是光纖動態(tài)壓力傳感器，是一個反射光強調(diào)制型的光纖傳感器。,如右圖所示，發(fā)射機發(fā)射出的電磁波向被測物體傳輸，以速度V向發(fā)射機運動的被測物體接收到的信號頻率為,當發(fā)射機和接收機處于同一地點且無相對運動，而被測物體以速度V相對于發(fā)射機和接收機運動時，可以把被測物體對信號的反射看成是又一個運動的發(fā)射機在發(fā)射信號。這樣，接收機和被測物體之間因有相對運動，就產(chǎn)生了多普勒效應。,假若發(fā)射機與接收機之間的位置在不斷變化，則接收機收到的信號與發(fā)射機發(fā)射的信號頻率就不同，這一現(xiàn)象為多普勒效應。,（三）頻率調(diào)制型光纖傳感器,頻率調(diào)制型光纖

33、傳感器，原理是光學多普勒效應?,,,,由多普勒效應產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率,若把 看成新的發(fā)射機向與發(fā)射機同地點的接收機發(fā)射的信號，如右圖所示，則接收機接收到的信號頻率為：,當激光沿著光纖投射到運動物體A上時，被物體A反射的光與光纖端面的反射光(起參考光作用)一起沿著光纖返回。,光學多普勒效應,那么從S射出的頻率為 的光，經(jīng)過運動物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為 。根據(jù)多普勒原理可得,這樣，頻率不同的信號光與參考光共同作用在光電探測器上，產(chǎn)生差拍。,知道了發(fā)射頻率和接收頻率，從它們之差就可以求得物體的運動速度。,下圖是一個典型的激光多普勒光纖測速系統(tǒng),形成的光電流經(jīng)頻譜分析儀求出頻率

34、的變化，進一步可算出物體的運動速度 。,S為光源, P為運動物體,Q是觀察者所處的位置。如果物體P的運動速度為V, P的運動方向與PS的夾角為1，P的運動方向與PQ的夾角為2 。,測試液體折射率的光纖傳感裝置原理示意圖,組成：,結(jié)構(gòu)特點：有一個光纖分路器,工作原理：？,強調(diào)：光纖液體折射率傳感器不能在線探測會粘附在測頭表面的污濁、粘稠、具有腐蝕的和懸浮溶液的濃度。,作業(yè)：P211: 9-1,9-2,9-4,9-5,9-7,(四) 強度調(diào)制型光纖傳感器,2) .渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡,組成:,渥拉斯頓棱鏡是一種由天然方解石晶體制成的雙折 射偏光器件，主要成分為CaCO3的結(jié)晶。,結(jié)構(gòu)

35、:,工作原理:,對于方解石棱鏡，角一般為1040。,,材料：方解石透明單軸晶體制作,工作原理,為了保護晶體和方便使用，方解石晶體被組裝在一個表面作了黑色處理的銅質(zhì)圓筒內(nèi),渥拉斯頓棱鏡是加大了兩種線偏振光的離散角，且同時出射兩束線偏振光的雙像棱鏡；方解石晶體非常軟，很容易受傷，在使用時要小心。,分離角隨入射光波長的不同稍有變化；,舉例:在=0.5m時，no=l.6666，ne=1.4900， 若=45，則=2040。,兩塊直角棱鏡的光軸相互垂直,返回,進入第2塊棱鏡瞬間：光軸方向旋轉(zhuǎn)90,最終結(jié)果：兩束光在射出棱鏡時，它們對稱地再分開一個角度，此角的大小與棱鏡的材料及底角有關。,正入射的平行光束在第1塊棱鏡內(nèi)：垂直光軸傳播，o光、e光行為：相同方向、不同的相速度,返回,,結(jié)果：第1塊棱鏡中的o光在第2塊中變?yōu)閑光，且由于方解石為負單軸晶體(ne